Die Erfindung betrifft ein System zur Verbesserung der Energieeffizienz bei Hydrauliksystemen, mit zumindest einem Arbeitszylinder, der in einem Betriebszustand als Verbraucher hydraul ischer Energie und in einem anderen Betriebszustand als Erzeuger hydraul ischer Energie arbeitet, und mit einem Hydrospeicher, der bei einem Betriebszustand des Arbeitszylinders von diesem zur Energiespeicherung aufladbar und beim anderen Betriebszustand für eine Energieabgabe an den Arbeitszylinder entladbar ist.

Angesichts der zunehmenden Verknappung von Ressourcen und den damit zusammenhängenden verstärkten Bemühungen, Energie einzusparen, gewinnen Systeme der vorstehenden Art zunehmend an Bedeutung. Daher kommen solche Systeme bei hydraul ischen Einrichtungen und Anlagen, bei denen Aktuatoren in Form von Arbeitszylindern vorgesehen sind, häufig zum Einsatz. Bei Hub-Senk-Anwendungen lässt sich hierbei mittels des Ar- beitszylinders die potentielle Energie einer angehobenen Last in hydraul ische Energie umsetzen, die gespeichert und rückgespeist werden kann. Auch lässt sich ein derartiges System zur Lastkömpensation anwenden.

Bei den dem Stand der Technik entsprechenden Systemen dieser Art lässt die Effizienz der Energieumsetzung zu wünschen übrig. Eine U rsache hierfür ist die Abhängigkeit der Lade- und Entladeprozesse des Hydrospeichers vom jewei ligen Systemdruck. Genauer gesagt, kann der Hydrospeicher immer nur dann aufgeladen werden, wenn der Systemdruck größer als der im Speicher auf der Gasseite befindliche Gasdruck ist. Wenn der Systemdruck in der jeweiligen Betriebssituation des Arbeitszylinders nicht aufgebaut werden kann, besteht keine Möglichkeit, Energie im Speicher aufzu- nehmen. Auch der Endladeprozess des Speichers ist insofern einer Einschränkung unterworfen, als immer nur dann Energie aus dem Speicher zurückgespeist werden kann, wenn der Speicherdruck noch größer als der aktuelle Systemdruck ist. Zusätzlich besteht das Problem, dass bei einem Speicherdruck, der größer ist als der am Arbeitszyl inder aktuell benötigte Systemdruck, die Druckniveaus von Speicher und System durch Venti le ausgeglichen werden müssen, so dass die Energie, die in dem Differenzdruck zwischen Speicherdruck und Systemdruck steckt, durch Drosselverl uste verloren geht. Aus der DE 100 06 013 A1 geht eine Vorrichtung zur Energieeinsparung bei hydraul isch betätigbaren Arbeitsgerätschaften hervor unter Einsatz eines Kolbenspeichers. Dadurch, dass bei der bekannten Lösung ei ne Fluidsteue- rung eine Steuerungseinrichtung aufweist, mittels der der Kolbenspeicher in einen Fluidkreis der Arbeitsgerätschaft zu- oder abschaltbar ist, und dass die Steuerungseinrichtung für die dahingehenden Schaltvorgänge eine

Überwachungseinrichtung aufweist, die zumindest Systemzustände der Arbeitsgerätschaft und/oder des Kolbenspeichers erfasst, ist erreicht, dass die Vorrichtung zur Energieeinsparung nur dann zum Einsatz kommt, wenn eine Betätigung der Arbeitsgerätschaft im normalen Arbeitsbetrieb dies ge- boten erscheinen lässt, wobei Sonderarbeitsvorgänge mit der Maschine, bei denen die Arbeitsgerätschaft vol lständig entlastet oder sehr stark belastet ist, nicht behindert werden. Damit ist mit der bekannten Lösung eine günstige Energieumsetzung erreicht. Ausgehend von diesem Stand der Technik stel lt sich die Erfindung die Aufgabe, ein System der betrachteten Art zur Verfügung zu stel len, das eine noch günstigere Energieumsetzung ermögl icht.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch ei n System gelöst, das die Merkmale des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit aufweist.

Demgemäß besteht eine wesentliche Besonderheit der Erfindung darin, dass mindestens ein Hydrospeicher vorgesehen ist, der eine Verstel lmöglichkeit bietet, indem er mehrere Druckräume zur Verfügung stel lt, die an unterschiedlich große Wirkflächen an der Fluidseite des Speicherkolbens angrenzen, wobei eine Stellanordnung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von dem jewei ligen auf der Gasseite des Kolbenspeichers und am Arbeits- zyl inder herrschenden Druckniveau einen ausgewählten Druckraum oder mehrere ausgewählte Druckräume des Kolbenspeichers mit dem Arbeitszyl inder verbindet. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, Energie unabhängig vom Vorfülldruck auf der Gasseite des Speichers und unabhängig vom jewei l igen Lastdruck zu recyceln, wei l durch Auswählen einer Wirkfläche passender Größe das jeweil ig gewünschte Druckniveau am Speicher für Ladung oder Entladung genutzt werden kann. Dadurch ist bei sämtl ichen Betriebszuständen eine optimale Energieumsetzung mögl ich.

Durch den Einsatz eines derartigen„Mehrstufenspeichers" ergibt sich ferner die Möglichkeit, die Ladezeit durch Auswahl von Wirkflächen zu beeinfl ussen. Wählt man beispielsweise bei konstantem Völumenstrom eine kleine Fläche, ergibt sich eine kurze Ladezeit des Speichers, während bei konstantem Vol umenstrom eine größere Wi rkfläche zu längerer Ladezeit führt. Durch Ausbildung einer größeren oder kleineren Anzahl von Druckräumen unterschiedl icher Kolbenwirkflächen lässt sein eine feinere oder gröbere Druckabstufung erreichen. Auch könnte, um eine besonders hohe Auflö- ^' sung zu erreichen, mehr als ein Speicher mit unterschiedl ichen Druckräumen vorgesehen sein.

In besonders vorteilhafter Weise kann der Stel lanordnung eine Steuerlogik zugeordnet sein, die für die Ansteuerung von der Stellanordnung zugehörigen Ventilen die Signale von Sensoreinrichtungen verarbeitet, die das Druckniveau auf der Gasseite des Kolbenspeichers und den jeweiligen Betriebszustand des Arbeitszyl inders darstel len. Dabei steuert die Logik die Energietransformation, indem entsprechend dem Lastzustand am Arbeitszy- linder und dem Ladezustand am Speicher entschieden wi rd, wie dieser ge ₇ laden oder entladen wird. Dabei besteht die Möglichkeit, dass der Anwender durch eigene Vorgaben die Logik beeinflussen und damit die Arbeitscharakteristik des Systems bestimmen kann. Hinsichtl ich der Bauweise des Kolbenspeichers kann die Anordnung mit Vorteil so getroffen sein, dass der Speicherkolben zur Bildung unterschiedl ich großer Wirkflächen als Stufenkolben gestaltet ist und an seiner Fluidsei- te an Zylinderflächen angrenzende Kolbenteilflächen aufweist, wobei das Speichergehäuse korrespondierende, an Zyl inderflächen angrenzende Ge- genflächen aufweist, die zusammen mit ihnen zugeordneten Kolbentei lflächen jeweils gesonderte Druckräume begrenzen.

Vorzugsweise si nd Wi rkflächen am Speicherkolben und Gegenflächen am Speichergehäuse in im axialen Abstand voneinander befi ndlichen Stufen angeordnet, und die Wirkflächen und Gegenflächen können in Form von Ringflächen oder Kreisflächen vorgesehen sein, die konzentrisch zur Längsachse angeordnet sind.

Hinsichtlich der Ansteuerung der Druckräume des Kolbenspeichers kann die Anordnung mit Vortei l so getroffen sein, dass die Stel lanordnung Schaltventile aufweist, über die jewei l ige Druckräume des Kolbenspeichers, die für Ladung oder Entladung ausgewählt sind, mit dem Arbeitszyl inder und die übrigen Druckräume mit dem Tank verbindbar sind. Durch die Steuerlogik gesteuert, sind so ein ausgewählter Druckraum oder eine Kombination ausgewählter Druckräume für Ladung oder Entladung mit dem Ar- beitszylinder verbindbar, während nicht ausgewählte Druckräume während der Entladung zum Tank hin drucklos entleerbar sind und während der Ladung aktiver Druckräume aus dem Tank nachfül lbar sind.

H insichtl ich der Signalversorgung der Steuerlogik kann die Anordnung mit Vorteil so getroffen sein, dass die zugeordnete Sensoreinrichtung zumindest Drucksensoren aufweist, die für die Steuerlogik Signale liefern, die den Fül ldruck der Gasseite des Kolbenspeichers und den Systemdruck am Arbeitszylinder darstellen. Vorzugsweise ist außerdem am Arbeitszylinder ein Wegsensor vorgesehen, der Kolbenstel lung und/oder Kolbengeschwindig- keit des Arbeitszyl inders signalisiert.

Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen weist die Stellanordnung eine mit der Druckseite einer Hydropumpe in Verbi ndung stehende Hauptleitung sowie von dieser zu den Fluidanschlüssen des Kolbenspeichers füh- rende Verbindungsleitungen auf, wobei diese jewei ls durch die Schaltventile wahlweise sperrbar oder freigebbar oder mit dem Tank verbindbar sind.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 in einem stark schematisch vereinfachten Längsschnitt ein

Ausführungsbeispiel eines hydropneumatischen Kolbenspeichers i n einer Mehrstufenausführung für den Einsatz bei dem erfindungsgemäßen System; eine Prinzipdarstellung, die den Kolbenspeicher von Fig. 1 in Verbindung mit zugehörigen Systemkomponenten des erfindungsgemäßen Systems zeigt; den Kolbenspeicher in Verbindung mit einem in Symboldarstellung gezeigten hydraulischen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels des Systems für eine Hub-Senk-Anwendung und eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung eines abgewandelten Ausführungsbeispiels der Hub-Senk-Anwendung.

Der in Fig. 1 in schematisch vereinfachter Darstellung gezeigte hydro- pneumatische Kolbenspeicher 1 weist einen in einem Speichergehäuse 3 axial bewegbar geführten Speicherkolben 5 auf, der im Speichergehäuse 3 eine Gasseite 7, an der sich ein Füllanschluss 9 befindet, von fluidseitigen Druckräumen trennt. Der Speicherkolben 5 ist in der Art eines Stufenkolbens derart gestaltet, dass er in Zusammenwirkung mit entsprechend gestuften Teilen des Speichergehäuses 3 fluidseitige Druckräume 19, 21 , 23 und 25 begrenzt, die an unterschiedlich große Wirkflächen an der Fluidseite des Speicherkolbens 5 angrenzen. In Fig. 1 sind diese Wirkflächen, von der größtflächigen bis zur kleinstflächigen, mit 1 1 , 13, 1 5 und 1 7 bezeichnet. Dabei sind die Wirkflächen 1 1 , 13 und 15 jeweils durch zur Längsachse konzentrische Kreisringflächen gebildet, die die innerste Wirkfläche 1 7 in Form einer Kreisfläche umgeben. An die Wirkflächen 1 1 , 13 und 1 5 angrenzende Druckräume 19, 21 bzw. 23 sind durch Gegenflächen 27 bzw. 29 bzw. 31 des Speichergehäuses 3 sowie durch Zylinderflächen 35 des Zylindergehäuses 3 und Zylinderflächen 37 am Speicherkolben 5 begrenzt. Der an die Wirkfläche 1 7 angrenzende Druckraum 25 ist durch eine Gegenfläche 33 des Speichergehäuses 3 sowie eine Zyl inderfläche 39 des Speicherkolbens 5 begrenzt. Für jeden Druckraum 1 9, 21 , 23, 25 ist ein Fluidanschuss 41 , 43, 45 bzw. 47 vorgesehen. Wie die Wirkflächen 1 1 , 1 3, 1 5 und 1 7 am Speicherkolben 5 sind die zugeordneten Gegenflächen 27, 29, 31 bzw. 33 am Speichergehäuse 3 in axial zueinander beabstandeten Stufen angeordnet. Die Fig. 2 zeigt den Kolbenspeicher 1 in Verbindung mit zugeordneten Systemkomponenten, wobei ein Aktuator 49 in Wirkverbindung mit einer Stellanordnung 51 ist. Wie bereits bemerkt, kann als Aktuator 49 ein Arbeitszylinder 58 (Fig. 3) vorgesehen sein, der beispielsweise Bestandtei l einer Hub- Senk-Anordnung ist. Der Stellanordnung 51 ist eine Steuerlogik 53 zuge- ordnet, die mittels einer Steuer- und Regeleinheit 55 eine Ventilanordnung 57 der Stel lanordnung 51 betätigt. Die Venti lanordnung 57 weist, wie anhand der Fig. 3 und 4 näher ausgeführt wird, Schaltventile auf, die ausgewählte Fluidverbindungen zwischen Aktuator 49 und den Fluidanschlüssen 41 , 43, 45, 47 des Kolbenspeichers 1 herstel len, um wahlweise die Druck- räume 1 9, 21 , 23 und 25 für Lade- oder Entladevorgänge zu aktivieren.

Hierfür verarbeitet die Steuerlogik 53 Signale, die von Sensoreinrichtungen geliefert sind und die Betriebszustände von Aktuator 49 und Kolbenspeicher 1 darstellen. Von den Sensoreinrichtungen ist in Fig. 2 lediglich ein Drucksensor 59 am Füllanschluss 9 des Kolbenspeichers 1 gezeigt.

Die Fig. 3 zeigt das erfindungsgemäße System in Verbindung mit einer Hub-Senk-Anordnung, wobei der Aktuator einen Arbeitszylinder 58 zum Heben und Senken einer Last 61 aufweist. Zur Erzeugung der von der Steuerlogik 53 zu verarbeitenden Signale sind am Arbeitszylinder 58 ein den Lastdruck erkennender Drucksensor 63 und ein die Hub-Senk-Geschwin- digkeit ermittelnder Wegsensor 65 vorgesehen. Eine Hydropumpe 67, aus- gangsseitig abgesichert durch ein Druckbegrenzungsventil 69, ist mit einer den Systemdruck führenden Hauptleitung 71 der Stellanordnung 51 verbunden. Diese weist für die Verbindung zwischen der Hauptleitung 71 und den Fluidanschlüssen 41 , 43, 45 und 47 des Kolbenspeichers 1 jeweils eine Verbindungsleitung 73, 75, 77 und 80 auf. In jeder der Verbindungsleitungen befindet sich eine von der Steuerlogik 53 betätigbare Ventilgruppe, symbolhaft bezeichnet mit vi, V2, usw., wobei jede Ventilgruppe aus zwei schnellschaltenden 2/2 -Wege-Ventilen gebildet ist, die mit 79 und 81 bezeichnet und bei den Ventilgruppen vi bis V4 mit dem Index 1 bis 4 ge- kennzeichnet sind. Über die Wegeventile 81 ist die zugehörige Verbindungsleitung mit dem zugehörigen Fluidanschuss des Kolbenspeichers 1 verbindbar oder sperrbar. Über die Wegeventile 79 ist die jeweilige Verbindungsleitung 73, 75, 77, 80 mit dem Tank 83 verbindbar. Für einen Hubvorgang ist die Hauptleitung 71 über ein Ventil, das zur

Steuerung der Hubgeschwindigkeit als proportionales Drosselventil 87 ausgebildet ist, mit dem Arbeitszylinder 58 verbindbar. Ein Fluidfilter 85 wird beim Senken des Arbeitszylinders 58 durchströmt. Ferner ist zur Sicherung des diesbezüglichen Hydraulikreises ein Druckbegrenzungsventil 86 einge- setzt. Die Hubbewegung erfolgt mit Hilfe der im Kolbenspeicher gespeicherten Energie durch einen Entladevorgang aus einem ausgewählten Druckraum 19, 21 , 23, 25 oder aus mehreren ausgewählten Druckräumen, die das passende Druckniveau für die Hubbewegung der Last 61 besitzen. Bei Absenkbewegungen wird die potentielle Energie der Last 61 als hydrau- tische Energie im Kolbenspeicher 1 gespeichert, indem ein Ladevorgang über ein die Senkgeschwindigkeit einstellendes Proportional-Drosselventil 84 und eine ausgewählte Verbindungsleitung 73, 75, 77, 80 oder über mehrere ausgewählte Verbindungsleitungen zu einem betreffenden Fluid- anschluss 41 , 43, 45, 47 erfolgt, wobei eines oder mehrere der Wegeventile 81 geöffnet ist bzw. sind und Wegeventile 79 nicht gewählter Verbindungsleitungen die Verbindung zum Tank 83 herstellen. Durch diese Verbindung sind nicht gewählte Druckräume 19, 21 , 23, 25 des Kolbenspeichers 1 bei Entladevorgängen drucklos und bei Ladevorgängen aus dem Tank 83 nachfüllbar. Ein an der Hauptleitung 71 befindliches Wegeventil 88 ermöglicht es, das System bei Bedarf drucklos zu machen oder zu entleeren.

Im Betrieb wird zum Senken einer Last mit Energie-Rückgewinnung der Lastdruck am Zylinder 58 mittels des Drucksensors 63 an die Steuerlogik 53 übermittelt, ebenso wie der Gasdruck im Speicher 1 , der durch den Drucksensor 59 ermittelt ist. Durch diese Informationen kann die Regelung ent- scheiden, wie die zur Verfügung stehende potentielle Energie des Zylinders 58 optimal in den Speicher 1 zurückgespeist wird. Bei geringen Lasten wird eine große Wirkfläche gewählt, um den Speicher auf ein hohes Druckniveau zu laden. Liegt eine hohe Last 61 am Zylinder 58 an, wird mit einer kleinen Wirkfläche der Speicher 1 geladen. Die Senkgeschwindigkeit der Last wird über das proportionale Drosselventil 84 eingestellt.

Die durch das System bewirkte Lastkompensation kann durch Anwählen und/oder Umschalten der geeigneten Wirkflächen unstetig erfolgen, wobei mit einer genügend großen Anzahl an im Speicher 1 zur Verfügung gestel l- ten Druckstufen eine Auflösung erreichbar ist, um die Last ruckfrei zu senken. Um eine Last 61 bei geladenem Kolbenspeicher 1 mit oder ohne Hilfe der Pumpe 67 zu heben, werden entsprechend der Last 61 am Zylinder 58 in Abhängigkeit vom Gasdruck im Speicher 1 die entsprechende Wirkfläche oder die entsprechenden Wirkflächen gewählt. Um die Bewegung der Last 61 ruckfrei anzufahren, wird vorzugsweise zunächst ein kleineres Druckniveau gewählt. Die Geschwindigkeit zum Anheben der Last 61 wird über das proportionale Drosselventil 87 eingestel lt, wobei die Druckdifferenz durch die geeignete Auswahl der Wirkflächen des Speichers 1 möglichst klein gehalten bleibt, so dass eine verlustarme Umwandlung der Speicher- energie in Hubarbeit möglich ist. Das Ausführungsbeispiel von Fig. 4 unterscheidet sich vom Beispiel von Fig. 3 lediglich insofern, als an den Proportional-Drosselventilen 84 und 87 jeweils eine Druckwaage 89 bzw. 90 vorgesehen ist, um eine konstante Druckdifferenz am zugeordneten Proportional-Drosselventil 84, 87 zu er- zeugen. Dadurch lassen sich bei einem Umschalten der Wirkflächen des Speichers 1 Sprünge der Druckdifferenz am jeweiligen Proportional- Drosselventil 84, 87 kompensieren.

Anstelle der Proportional-Drosselventile 84, 87 können bei Verwendung schnellschaltender Wegeventile 79 und 81 diese auch durch Pulsweitenmodulation angesteuert werden, wodurch, abhängig von der Impulsmodulation, ein gewünschter mittlerer Volumenstrom einstellbar ist.